|
مقدمه
از آنجا كه ايران جزو سرزمين‌هاي لرزه‌خيز جهان به شمار مي‌رود هر چند سال يكبار شاهد رويداد يك زمين‌لرزه ويرانگر در بخشي از نقاط مختلف كشور هستيم، كه هر يك خسارتهاي جاني و مالي فراواني را به بار مي‌آورد[1]. به عنوان مثال زمين‌لرزه 5 دي ماه 1382 با بزرگي 6/6 در منطقه بم بيش از 30000 نفر كشته و ويراني 80% شهر را در برداشت[2]. همچنين زمين‌لرزه 31 خردادماه 1369 در رودبار و منجيل، با بزرگي 4/7، 35000 نفر كشته و خرابي چند شهر و روستا را به همراه داشت. با اين حال، متاسفانه بسياري از ساختمانهاي موجود و حتي موارد جديد در حال ساخت بخاطر ضعفهاي طراحي و اجرا مقاومت كافي در برابر نيروهاي جانبي زلزله را ندارند كه اين امر، خرابي ناشي از زمين‌لرزه‌هاي بعدي را تشديد خواهدكرد[3]. براي جلوگيري از بروز چنين خسارتهايي، راه حل منطقي و اقتصادي، طراحي لرزه‌اي ساختمانهاي جديد و مقاوم‌سازي ساختمانهاي موجود در برابر زلزله است.
تكميل جزئيات طراحي لرزه‌اي و بهسازي ساختمانها به منظور تامين مقاومت و شكل‌پذيري لازم، در نقاط مختلف جهان معمولاً پس از رويداد زمين‌لرزه‌هاي بزرگ بصورت چشمگيري مطرح شده است. در كشور ژاپن بر اثر زمين‌لرزه سال 1968 در توكاچي-اوكي (Tokachi-Oki) به تعداد بسيار زيادي از ساختمانهاي كوتاه مرتبه آسيب وارد آمد. در آمريكا نيز توجه بيشتر به طراحي لرزه‌اي و بازسازي ساختمانهاي آسيب ديده، تقريباً پس از زمين‌لرزه سال 1971 سان فرناندو[1] آغاز شد كه اين كار پس از رويداد زمين‌لرزه‌هاي سال 1985 مكزيكوسيتي و سال 1989 لوما پريتا[2] و سال 1994 نورتريج[3] در ايالت كاليفرنيا و ايالت‌هاي ديگر آمريكا پي‌گيري گرديد[4]. در سال 1990 اداره مديريت بحران[4] (FEMA) و ايالت كاليفرنيا بصورت جداگانه به توسعه دستورالعملهاي بهسازي لرزه‌اي پرداختند.
در ايران نيز پس از رويداد زمين‌لرزه 1341 بويين زهرا يك فصل مربوط به بارهاي ناشي از زمين‌لرزه، در استاندارد 519 مؤسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران منعكس و براي محاسبات ساختمانها در طراحي ساختمانهاي جديد الاحداث ملاك عمل قرار گرفت. پس از آن با برگزاري سمينارهاي آموزشي متعدد اثرات زمين‌لرزه در ساختمانهاي متعارف مورد بررسي قرار گرفت، كه اين كار منجر به تهيه و تدوين آيين‌نامه طرح ساختمانها در برابر زمين‌لرزه (استاندارد 2800) در سال 1366 شد. اين آيين‌نامه تحول چشمگيري در طراحي لرزه‌اي ساختمانها بوجود آورد. با رويداد زمين‌لرزه رودبار-منجيل در سال 1369 و به بار آمدن خسارتهاي مالي و جاني فراوان توجه مهندسان، دانشمندان، مردم و دولت به مسأله ضعف لرزه‌اي ساختمانها بيشتر شد، تا با طراحي لرزه‌اي بهترو ساختن ساختمانهاي مقاوم در برابر زلزله و مقاوم‌سازي ساختمانها از بروز خسارتهاي بعدي جلوگيري به عمل آورند. زلزله اخير بم در دي 1382 و خسارات فاجعه‌آميز آن نيز موجب پيشرفتهايي در كيفيت ساخت و ساز شده است.
با وجود كارهاي فراوان در اين زمينه و نيز تهيه ويرايش دوم استاندارد 2800[5] و حتي نشريه 251 سازمان مديريت در خصوص بهسازي لرزه اي ساختمانها[6]، ولي هنوز يك دستورالعمل عملي در مورد روشهاي نوين طراحي لرزه‌اي و نيز تقويت ساختمانهاي فولادي موجود (كه فاقد سيستم مناسب مقاوم لرزه اي هستند) در برابر زمين‌لرزه وجود ندارد و خلاء اين موضوع در كشور مشهود است. بر اين اساس توجه به طراحي لرزه‌اي ساختمانها در برابر زلزله چنان است كه بسياري از ارگانهاي دولتي با صرف هزينه‌هاي قابل توجه، ساختمانهاي مهم خود را در برابر زلزله‌هاي آتي مقاوم مي‌كنند.
با توجه به مشاهدات محلی خسارتهاي وارد بر ساختمانها در زلزله‌هاي قبلي، عدم رعايت اصول اوليه مهندسی زلزله در طرح و اجرای سازه ها دليل اصلی اين خساراتِ قابل توجه بوده است. به عنوان نمونه در بسياری از سازه های بازديد شده پس از زلزله بم، ابتدائی ترين اصول مهندسی سازه مانند تعبيه سيستم باربر جانبی، تقارن مهاربندی و شرايط مؤثر در يكپارچگي ساختمان نيز سهل‌انگاري شده بود. به طور کلی بخش قابل ملاحظه‌اي از ساختمانهای فولادی موجود در منطقه بم كه حتي خيلي از آنها در پنج سال اخير ساخته شده بودند در اين زلزله دچار تخريب كامل يا خسارات اساسي شدند. در واقع با وجود داشتن اسکلت کامل فولادی متشكل از اعضای باربر ثقلی يعني تيرها و ستونهای فولادی, به علت عدم تقارن, فقدان يا ضعف سيستم‌های بادبندی براي تحمل بارهاي جانبي ناشي از زلزله, ضعف اتصالات و جوشكاري آنها و نيز در بعضي موارد بدليل عدم صلبيت لازم سقف نتوانستند عملكرد مناسبي در اين زمين لرزه داشته باشند[2]. شكل 1 تخريب عمده يك ساختمان فولادي را در پي فقدان سيستم مقاوم جانبي در طبقه اول نشان مي‌دهد. از نکاتی که در اين سازه ها جلب توجه می کرد، خرابی مفرط ميانقاب ها و ديوار های پيرامونی در اين سازه ها بود که نشان دهنده انتقال بار جانبی به اين اعضا در صورت ضعف سيستم باربر جانبي می باشد.
از اشکالات عمده ساختمان های فولادی موجود در شهر بم عدم تقارن سيستم های بادبندی و ديگر عناصر مقاوم جانبی می باشد. اين امر موجب ايجاد پيچش در ساختمان شده است. البته هر چه تفاوت سختی بين دو سمت ساختمان بيشتر باشد، ميزان پيچش اعمالی نيز بيشتر خواهد بود (شکل 2). عدم وجود مهاربند در سازه شکل 3 نيز موجب شكست اتصال ساده تير به ستون سازه و تخريب آن شده است.
مشكل اصلي آسيب پذيري لرزه اي ساختمانها حتي نمونه هاي جديد الاحداث در ايران، عدم استفاده صحيح از دانش فني در مراحل طراحي و اجرا مي باشد. با وجود گذشت حدود 3 سال از لزوم بكارگيري ويرايش دوم آئين نامه زلزله كشور]5[ براي تعيين بارگذاري جانبي زلزله, در طراحي سازه اي برخي ساختمانهاي معمولي هنوز از ويرايش اول استاندارد 2800 استفاده مي شود. ضوابط آئين نامه طراحي ساختمانهاي فولادي]7[ كه برخي از آنها براي مناطق زلزله خيز در پيوست 2 استاندارد 2800 اشاره شده, در طراحي و اجرا سهل انگاري مي شود. خيلي از مهندسين كشور نه تنها اطلاعات كاملي در مورد آسيب‌پذيري و مقاوم سازي لرزه اي ندارند بلكه در مواجهه با غالب مسائل طراحي و اجرايي معمول ساختمان نيز كوتاهي مي‌كنند]5[. لذا بايستي سطح آگاهي دراطلاعات فني اين افراد افزايش يافته و نيز مكانيزمي براي اعمال قاطعيت اجرايي و كنترل امر در نظرگرفته شود و البته طوري كه حق مهندس ناظر حفظ شده و مسئوليتها به درستي تقسيم گردد. از آنجا‌كه لزوم طراحي لرزه‌اي ساختمانهاي فولادي متعارف به شدت احساس مي‌شود، جنبه‌هاي عملي طراحي لرزه‌اي ساختمانهاي فولادي در كشور از نقطه نظر ضوابط آئين نامه زلزله كشور (استاندارد 2800) مختصراً مرور شده و توصيه هائي جهت بهبود طراحي لرزه‌اي و اجرا در اين مقاله ارائه ميگردد.
جنبه‌هاي عملي طراحي لرزه‌اي ساختمانهاي فولادي موجود
نكات عمده طراحي و اجراي ساختمانهاي فولادي در انتخاب زمين, پي ها، صفحات ستونها, درز انقطاع، ستونها ، تيرها، اتصال تيرها به ستونها، اتصال تير به تير اصلي, سيستم باربر جانبي، اعضاي مهاربندي، اتصالات بادبندها، سيستم ديافراگم كف، ديوارها و تيغه هاي داخلي و راه پله ديده مي شوند.
انتخاب زمين
بطور كلي در عمل براي انتخاب محل احداث يك ساختمان, مطالعات لرزه اي انجام نمي‌شود و چه بسيار ساختمانهاي بلندي كه طي سالهاي اخير در مجاورت گسلها ساخته شده‌اند. مطابق پيوست سوم استاندارد 2800 ]5[ , حركات زمين در نزديكي منشا زلزله (مجاورت گسلهاي فعال) قابل توجه بوده و خسارات لرزه اي شديدتري به بار مي‌آورد, ليكن با دور شدن از آن, حركات مزبور ضعيفتر مي‌شوند. لذا در حالت كلي بايستي از احداث ساختمان در مجاورت گسلهاي فعال اجتناب نمود.
پي ها و شناژها
در ساختمانهاي فولادي معمولاً از پي هاي مستطيلي منفرد يا باسكولي استفاده مي گردد كه با شناژهاي حداقلي به هم متصل مي شوند. ابعاد اين پي ها گاهي اوقات حتي براي بارهاي ثقلي كفايت نمي كند و تنش حداكثر وارده به خاك بيشتر از مقدار مقاومت مجاز خاك مي باشد . در عمل به جز براي ساختمانهاي بزرگ هيچگونه آزمايشي جهت تعيين مقاومت خاك و نوع آن (با توجه به درجه بندي استاندارد 2800) انجام نمي شود حال آنكه در طراحي لرزه‌أي ساختمانها, مهندس محاسب و طراح بايد ديد صحيحي از آنها داشته باشد. ضمنا در طراحي بايد توجه خاصي به افزايش ابعاد پي ها بعلت وجود بارهاي جانبي و استفاده از پي نواري بخصوص براي ستونهايي كه مجاور زمين همسايه‌اند اعمال شود.
اتصال ستونها به پي ها
مسائل متعددي در طراحي و اجراي اتصال ستونها به پي‌ها بايد مد نظر باشد. غالباً ابعاد و ضخامت صفحات زير سري كافي نيست وگاهي تعداد پيچهاي مهاري و قطر آنها نيز كم است. براي ساختمانهاي 4 طبقه يا بيشتر معمولاً ضخامت صفحه بايد از 5/2 سانتيمتر بيشتر باشد و يا اينكه از سخت كننده ها روي صفحه ستون براي افزايش مقاومت خمشي آن در طراحي استفاده نمود]7[.
نحوه اتصال ستون به صفحه ستون نيز بايستي مورد توجه بيشتري قرار گيرد. براي ساختمانهاي فولادي در امتداد بدون بادبندي يك اتصال گيردار انتظار مي رود، در صورتيكه در طراحي ممكن است چنين اتصالي تامين نشده باشد. مخالف چنين وضعيتي براي امتداد بادبندي شده (اتصالات ساده تيرها به ستونها ) مورد انتظار مي باشد .
درز انقطاع
طبق استاندارد 2800, براي حذف يا كاهش خسارت ناشي از ضربه ساختمانهاي مجاور به هم, بايد ساختمانهاي با ارتفاع بيش از 12 متر (يا بيش از 4 طبقه) با درز انقطاع از ساختمانهاي مجاور جدا شوند و اين درز حداقل 01/0 برابر ارتفاع ساختمان كوتاهتر باشد. اين فاصله در محل لازمه بايستي با مصالح كم مقاومت كه در حين زلزله براحتي خرد مي‌شوند پر گردد]5[. اگرچه در سالهاي اخير رعايت درز انقطاع اجباري شده و اجراي آن كنترل ميگردد, ولي خيلي اوقات بخشي از آن با آجر يا ملات پر مي‌شود.
ستونها
غالباً به دليل سهولت اجرايي براي ستونها بعنوان عضو اصلي هر ساختمان, از دو پروفيل به هم چسبيده كه تا حدي غير اقتصادي است و يا با فاصله و به كمك ورقهاي بست افقي استفاده مي شود كه گاهي فواصل و ابعاد ورقهاي بست بدرستي طراحي نمي شود. براي ساختمانهاي بزرگ بلندتر از 5 طبقه، ستونها معمولاً از ورق ساخته مي شوند. در بيشتر موارد طول جوش مطابق با محاسبات و دستورالعملهاي آيين نامه اي صورت نميگيرد. مثلا طول جوش نشده از ورق، 20 سانتيمتر يا بيشتر ديده مي شود كه بويژه براي ستونها بسيار بحراني خواهد بود.
براي ساختمانهاي 5 طبقه يا بيشتر نياز به اتصال ستونها بر روي يكديگر پيش مي آيد كه چون در طراحي سازه نيامده است وصله اين ستونها در خيلي موارد درمحل مقطع بحراني (نزديكي تراز طبقه ) اتفاق مي افتد. گاهي اوقات و اضافه بر آن، ابعاد و جوش اين ورقهاي وصله نيز كافي نمي باشد. اشكال غير مناسب از تركيب سه پروفيل و يا ناموزون بودن ابعاد ورق هاي تقويتي در مقايسه با ضخامت بال خود پروفيل هاو نيز استفاده از ورق در لبه بالهاي مقطع (به موازات جان) در نقشه‌هاي سازه‌اي طراحي بعضي ساختمانهاي فولادي ديده مي شود.
تيرها
در اكثر موارد از تيرهاي لانه زنبوري در طراحي ساختمانهاي فولادي استفاده مي شود (شكل4). اين تيرها در مقابل برش ضعيف هستند و در محل اعمال بارهاي متمركز مثل دو انتهاي تير بايستي جان را با ورق تقويتي پر نمود. ليكن با توجه به ايجاد نيروي برشي در تمام طول تيرها در سيستم قاب خمشي، كاربرد تيرهاي لانه زنبوري براي ساختمانهاي فلزي در مناطق زلزله خيز در راستاي بدون بادبندي مناسب نمي باشد .
اتصال تير به ستون و تير به تير
شايد مشكل ترين قسمت از وظايف مهندس محاسب در طراحي لرزه‌اي يك ساختمان فولادي، اطمينان از درستي اتصال تير به ستون و جزئيات آن باشد به ويژه در امتدادي كه سيستم مهاربندي وجود ندارد و صرفاً قاب خمشي قرار است درمقابل بارهاي جانبي زلزله مقاومت نمايد. درچنين حالتي، اگر ستونهاي قوطي ساخته شده از ورق استفاده مي شود بايستي به طراحي ورقهاي پيوستگي در داخل ستون قوطي و در تراز ورقهاي زير و روي تير بخصوص براي قابهاي خمشي ويژه توجه خاصي گردد . اتصال گيردار تير به ستون بايد قادر به تامين مقاومت خمشي تير و نيز لنگر متناظر با مقاومت برشي چشمه اتصال (panel zone) يا ناحيه محصور شده جان ستون در مقابل بال تير باشد]5[.
درخيلي از ساختمانهاي فولادي ، براي ستونهاي واقع در قابهاي خمشي از مقطع زوج متشكل از دو نيمرخ IPE و ورقهاي تقويتي روي بالها استفاده مي گردد. همانطور كه در تصاوير 4و 6 ديده مي شود دراين حالت به هنگام اعمال كشش به ورق تقويتي بالها، براحتي اين ورق خميده شده و فلسفه اتصال گيردار زير سئوال مي رود. براي رفع يا حداقل كاهش مشكل درچنين حالاتي ميتوان از جوشكاري ورق تقويت به دو لبه ديگر نيمرخهاي ستون و يا جوش كام با ايجاد شياري در طول ورق تقويت بالها استفاده نمود كه اين جزئيات بايستي در نقشه هاي طراحي سازه‌اي آمده باشد.
جوش شياري اتصال ورقهاي فوقاني و تحتاني به ستون براي تامين اتصال گيردار نيز اهميت زيادي دارد و در عمل نسبت به جزئيات آن مثل داشتن پخ 45 درجه لبه ورق و شرايط جوش نفوذي در طراحي و نقشه‌هاي سازه‌اي سهل انگاري مي شود. خيلي اوقات ورق فوقاني به صورت مستطيلي بكار مي رود و لذا جوش شياري از مقاومت كافي برخوردار نخواهد بود. براي رفع اين مشكل بهتر است پهناي اين ورق به صورت ذوزنقه اي درمحل اتصال به ستون افزايش يابد (شكل 7). براي قابهاي خمشي ويژه همانطور كه در شكل 7 ديده مي‌شود از ورقهاي مضاعف به منظور كاهش تنش برشي در چشمه اتصال يا كاهش نسبت ارتفاع به ضخامت جان به كار گرفته مي شوند. فاصله اين ورقها نبايد بيش از 5/1 ميليمتر از جان ستون باشد و بايد در طول لبه فوقاني و لبه تحتاني ورق با جوش گوشه با بعد حداقل مساوي 5 ميليمتر جوش شوند. اين ورقها بايد با استفاده از جوش شياري يا گوشه به منظور حصول مقاومت برشي ورقهاي مضاعف به بال ستون جوش شوند]5[.
نبشي هاي نشيمن زيرتيرها در خيلي موارد براي تحمل نيروهاي تكيه گاهي كافي نيستند و لذا بايستي آنها با افزودن سخت كننده هاي مثلثي تقويت نمود. مشكل ديگر اتصال تير به ستون درسيستم اتصال خورجيني (اگرچه در حال حاضر بندرت بكار مي رود) است كه همواره تا حدي لنگر خمشي از تير به ستون منتقل مي شود ليكن عملاً ستونها براي اين لنگر اضافي محاسبه و طراحي نمي‌شوند.
سيستم مقاوم جانبي در ساختمانهاي فولادي
تعداد قابل توجهي از ساختمانهاي فلزي موجود دركشور بكلي فاقد هرگونه سيستم باربر در برابر بارهاي زلزله هستند. در غالب آنها بدون هيچ سيستم مهاربندي از قاب ساده (يا قاب با اتصالات خورجيني طبق شكل 8 بر اساس طبقه بندي استاندارد 2800) استفاده شده است كه صرفاً براي تحمل بارهاي قائم طراحي شده اند]5و 7[. درحالت بادبندي شده نيز گاهي اوقات به صورت متقارن بادبندي نمي شود كه موجب ايجاد كوپل پيچشي بزرگي در طبقات ساختمان مي گردد]5[. بعنوان يك مسئله مهم در خيلي از ساختمانهاي فلزي حذف عنصر مقاوم در طبقه همكف به علت ورودي ساختمان ، سبب شكل گيري طبقه نرم و ضعيف در اين طبقه كه قرار است حداكثر نيروي برشي ناشي از زلزله را تحمل نمايد، مي شود. در چنين حالتي مطابق استاندارد 2800, نيروي محوري و جابجائي زياد ميتواند اثرات P-Δ را تشديد نمايد]5[.
مهاربندي
اشكالات متعددي در طراحي سيستم مهاربندي ساختمانهاي فولادي در حال احداث ديده مي شود. جوش دادن ورق اتصال به تنهائي به ستون يا تنها به تير، اتصال عضو بادبند به صورت خارج از مركز با نصب ورق اتصال در لبه بال ستون و تير و نيز ضعف عضو مهاربند و ابعاد غيركافي ورقهاي اتصال بادبند, از موارد معمول ميباشد كه بايستي با هشياري مهندسين محاسب و ناظر از آنها اجتناب شود.در بعضي ساختمانها ، مالك ضمن هماهنگي با مهندس محاسب ترجيح مي دهد كه از پروفيل هاي I شكل قديمي به جاي اعضاي مهاربندي (معمولاً مقاطع زوج از ناوداني و يا نبشي ) استفاده گردد (. بايد توجه داشت كه اين مقاطع اغلب حتي جوابگوي شرط لاغري اعضاي فشاري نيز نيستند و در صورت ارضاء شرط لاغري, تنها شايد بتوان در طبقات فوقاني ساختمان كه نيروهاي ناشي از زلزله در بادبندها كاهش مي يابد از آنها استفاده نمود. مشكل ديگر در اين رابطه عدم اتصال دو نيمرخ (ناوداني يا نبشي) به يكديگر در طول اعضاي بادبندي با مقاطع زوج مي باشد كه لازم است در فواصل مشخص (طبق نقشه مثلا ً‌هر 60 سانتيمتر) باتسمه به يكديگر وصل شوند. با انتخاب مناسب دهانه هاي بادبندي ميتوان نيروهاي ستونها را در طبقات پائين تعديل نمود. طبق استاندارد 2800, ترجيح دارد كه عناصر باربر جانبي طوري طراحي و اجرا شوند كه انتقال نيروها بسمت شالوده به صورت مستقيم انجام شود و اعضايي كه با هم كار مي‌كنند در يك صفحه قائم قرار گيرند. ]5[.
در سيستم مهاربندي واگرا (ذوزنقه), علاوه بر توجه كافي به مشخصات لازم براي اعضاي مهاربند بايستي به محل اتصال اين اعضا به تير و مقاومت خود تير دقت نمود. اغلب ديده مي شود كه براي تامين بازشوي بزرگتر، زاويه مهاربندها با افق زياد شده و نه تنها از راندمان سيستم مقاوم جانبي در تحمل بارهاي جانبي مي كاهد، بلكه نيروي برشي بزرگتري را به تير پيوند تحميل مي‌نمايد. ضمناً بدين ترتيب تير پيوند به صورت خمشي عمل خواهد نمود. در صورتيكه بهتر است تحت نيروي برشي به محدوده تغيير شكلهاي غير ارتجاعي وارده شده و انرژي زلزله را مستهلك نمايد. متاسفانه در خيلي از ساختمانهاي فولادي در حال اجرا باسيستم مهاربندي واگرا، از يك تير لانه زنبوري بعنوان تير پيوند استفاده مي گردد كه به هيچ وجه جوابگوي ضوابط طراحي در خصوص جاري شدن برش جان نمي باشد. در چنين حالتي اگر جان تير در محدوده تير پيوند, با ورق تقويت گردد با آسيب ديدگي بخشهاي كناري نمي‌توان به عملكرد شكل پذيري دست يافت. حال آنكه استاندارد 2800 ضريب رفتار بزرگتر 7 را براي سيستم مهاربندي برون محور بعلت شكل پذيري مناسب آن توصيه مي‌نمايد]5[.
جوشكاري
يكي از مهمترين موضوعات درهر ساختمان فولادي، كنترل جوشكاري آن ميباشد. جوشها درهمه بخشها بايستي منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بعد و طول جوش و كنترل كيفيت لازم بررسي گردد. دراين خصوص حتي ممكن است در يك ساختمان فولادي كوچك به انجام آزمايشات غير مخرب (NDT) بر روي جوش نياز باشد. در استاندارد 2800, آزمايشات اولتراسونيك و راديوگرافي براي كنترل اتصالات جوشي قابهاي خمشي ويژه اجباري شده است]5[ كه البته بسته به تشخيص مهندس ناظر در ساير حالات سيستمهاي ساختمانهاي فولادي معمول نيز انجام مي‌گيرد.
سيستم سقف
در حال حاضر، اغلب از سقفهاي تيرچه و بلوك در ساختمانهاي فولادي استفاده مي شود كه دراينصورت بايستي ميلگردهاي تيرچه ها به خوبي دربتن محصور گردند و پوشش بتن تامين شود. ضمناً در خيلي از ساختمانهاي فولادي كه ازمقاطع لانه زنبوري CPE180 يا بالاتر استفاده مي شود, ضخامت سقف سازه اي معادل 25 سانتيمتر مي باشد، لايه بتني و آرماتورگذاري حرارتي بدرستي روي پلهاي مزبور را نميگيرد و ديافراگم كف نمي‌تواند بخوبي به صورت صلب و يكپارچه عمل نمايد
.
در سقفهاي طاق ضربي كه براي غالب ساختمانهاي قديمي استفاده شده، مطابق فصل سوم و پيوست 6 استاندارد 2800]5[بايستي ازمهاربندي با ميلگرد و پوشش بتن به ضخامت 5 سانتيمتر بر روي سقف به منظور تامين صلبيت ديافراگم و انسجام كف كمك گرفت كه معمولا در اجرا و حتي گاهي در نقشه‌هاي سازه اي فراموش مي شود. سقف هاي مركب به خصوص در صورت اجراي مناسب، بهترين عملكرد صلب را مي توانند از خود نشان دهند طوريكه نسبت حداكثر تغييرشكل ديافراگم به جابجايي نسبي طبقه كمتر از 5/0 باشد]5[. موارد ضعف طراحي و اجرايي اين سقفها بيشتر به قرارگيري اتصالات برشي و آرماتورگذاري دال بتني آن مربوط مي شود.
راهکارهای طراحي و بهسازی لرزه ای سازه‌های فولادي
1- مهاربندی در سازه های فولادی و يا تقويت مهاربندی موجود
کار عمده‌ای که در جهت بهبود رفتار لرزه ای سازه های فولادی می توان انجام داد، کنترل طراحي لرزه‌اي مهاربندی سازه می‌باشد. در صورت عدم کفايت مکانيزم های مقاومت جانبی سازه، می توان اقدام به ايجاد مهاربندی در سازه نمود که اين کار از طريق برداشتن تيغه ها ميسر می باشد. در طراحي لرزه‌اي و تقويت ساختمانها كه در بخش بعدي بيشتر شرح مي‌شود, غالباً سه هدف عمده وجود دارد( شكل 11):
1. افزايش مقاومت ساختمان در برابر بارهاي جانبي
2. افزايش شكل‌پذيري ساختمان
3.
افزايش مقاومت به همراه افزايش شكل‌پذيري ساختمان
2- متقارن کردن سيستم های مهاربندی
برای جلوگيری از پيچش در سازه ، تقارن مهاربندی ها ضروری است. بنابر اين با بررسی سازه می توان از نحوه مهاربندی آن آگاهی حاصل کرده و در صورت عدم تقارن آن، بايد با افزودن مهاربندی در طراحي لرزه‌اي به متقارن کردن آن پرداخت.
3-كاهش بارهاي مرده ساختمان
در ساختمانهاي موجود معمولا از سقفها و ديوارهاي ضخيم و سنگين استفاده شده كه ميتوان با برداشتن بارهاي اضافي كمك مؤثري به كاستن نيروهاي لرزه‌اي نمود.
4- تقويت اتصالات سازه‌اي
اتصالات بادبندها و اتصال تيرها به ستونها بايستي تقويت شوند. البته در غالب اوقات به تقويت خود اعضاي ستون و تير نيز نياز خواهد بود.
5- بهسازي ديوارهاي موجود
يكسري از ديوارهاي موجود در قابهاي فولادي را ميتوان به صورت ميانقاب و نوعي سيستم مقاوم جانبي طراحي نمود و بقيه ديوارها نيز به هر حال بايستي در اثر زلزله به آوار تبديل نشوند.
جنبه‌هاي عملي طراحي و بهسازی لرزه ای ساختمانهاي فولادي
بادبندهاي فولادي
سيستم بادبندهاي فولادي يك روش مقاوم‌سازي مطلوب به شمار مي‌رود. از جمله مزاياي اين روش عبارتند از:
1. افزايش مقاومت و شكل‌پذيري سازه
2. اعمال وزن كمتري به سازه
3. امكان استفاده از بازشو و پنجره در قاب بادبندي شده
4. اجراي نسبتاً آسان
5. كنترل كيفيت ساده‌تر
بادبندها به حالت‌هاي فشاري، كششي، فشاري و كششي و يا پس‌كشيده طرح ميگردد كه به اشكال X شكل،7 و 8 شكل، لوزي شكل و زانويي (بادبندي برون محور) اجرا مي‌گردند. نوع ديگر استفاده از بادبندها، به صورت بادبند خارج از قاب است, كه ساختمان را همانند كلافي از جدار بيروني محصور مي‌كند. در اين روش بادبندها از بيرون قاب به سازه متصل مي‌شوند. اين سيستم جديد از نظر ساخت و نصب آسان است و براي ساكنين ساختمان مزاحمت كمي ايجاد مي‌كند. امكان استفاده از بازشوها در اين روش وجود دارد. خرابي در اين روش به محل اتصالات تير و ستون محدود مي‌شود.
ديوارها
يكي از روشهاي معمول و رايج در طراحي و بهسازي ساختمانها در برابر زلزله، استفاده از ديوارها شامل ديوارهاي برشي فولادي يا پانلهاي فلزي, بتني، ديوارهاي پركننده با مصالح بنايي، پانلهاي بتني پيش‌ساخته, ديوارهاي كناري1، درون‌قاب‌هاي بتني و… ميباشد. استفاده از انواع ديوارها در افزايش ظرفيت لرزه‌اي ساختمان و كاهش تغيير مكان جانبي مؤثر است. در اين روش نيز همانند روشهاي ديگر اتصال بين قاب اوليه و ديوار جديد اهميت زيادي دارد. با استفاده از اين روش مقاومت ساختمان و همچنين شكل‌پذيري آن افزايش مي‌يابد. از موارد مهم به كارگيري اين روش، طرز قرار دادن ديوارها در ساختمان است. به‌خاطر عدم پيدايش پيچش بايد حتي‌المقدور ديوارها چه در ارتفاع و چه در پلان بصورت منظم و متقارن قرار گيرند. همچنين به دليل وارد كردن وزن زياد به سازه اوليه بايد دقت شود كه تنها در قابهاي با ظرفيت برشي ضعيف بكار روند و از استفاده بيش از اندازه جلوگيري شود.
در چند دهه اخير مطالعات تجربي (شكل 12) و تحليلي بر روي اين مسئله متمركز شده كه از ديوارهاي برشي متشكل از ورق فولادي به عنون عناصر اوليه مقاوم در برابر بارهاي جانبي در ساختمانهاي فولادي استفاده شود. اين مطالعات مشخصات عملكردي منحصر به فردي شامل خصوصيات سختي ارتجاعي بالا، ظرفيت هاي بالاي شكل پذيري و رفتار پايدار هيسترزيس را بيان مي كند. يك قاب ديوار برشي فولادي معمولاً از اعضاي تير و ستوني كه با فولاد پانلهاي برشي ميانقاب تقويت شده و در ارتفاع مشخصي از يك قاب ساختمان فولادي قرار گرفته، تشكيل شده است. ديوارهاي برشي فولادي به عنوان جايگزين مناسبي براي سيستم مقاوم در مقابل بارهاي جانبي در ساختمانهاي فولادي ميان مرتبه و بلند بخصوص در مناطق با ريسك بالاي زلزله استفاده مي گردد[8].
دستگاه‌هاي استهلاك انرژي
از جمله روشهايي كه اخيراً بطور گسترده در طراحي يا بهسازي لرزه‌اي ساختمانهاي فولادي بكار مي‌رود استفاده از دستگاه‌هاي استهلاك انرژي به صورت كنترل غير فعال است. مطالعات تحقيقاتي و كارهاي تحليلي و آزمايشگاهي زيادي در اين زمينه انجام مي‌شود و وجود مقالات فراوان, حاكي از اهميت اين موضوع ميباشد. برخي از اين روش‌ها عبارتند از:
الف- جداگرهاي لرزه‌اي
اساس اين روش بر جدا ساختن ساختمان از زمين استوار است به نحوي كه حركات زمين در حد كمي به ساختمان منتقل شود. در اين روش با ايجاد انعطاف‌پذيري در پايه سازه يا در طبقات در صفحه افقي و استقرار عناصر مستهلك كننده به منظور جذب كامل و يا بخش عمده‌اي از انرژي ناشي از زمين‌لرزه, دورة تناوب سازه به مقدار مورد نياز از دورة تناوب حركت زمين دور مي‌شود تا پديده تشديد ايجاد نگردد و همچنين نيروهاي كمتري از زمين به سازه منتقل شود[8]. از جمله مزاياي اين روش عبارتند از:
1-ايجاد انعطاف‌پذيري مناسب در سازه
2-كاهش تغيير مكان نسبي كف‌ها و پايين آمدن ميزان خرابي‌هاي سازه‌اي و غير سازه‌اي
3-كاهش فركانس ارتعاش سازه و كاهش نيروهاي طراحي زلزله
4-اشغال مساحت كمتري از ساختمان براي اجراي اين طرح تقويت
5-مزاحمت كمتر براي ساكنين و عدم نياز به تخليه ساختمان.
6-نماي ساختمان محفوظ مي‌ماند.
با توجه به مزاياي فوق ميتوان گفت كه اين روش براي ساختمانهاي كوتاه و متوسط مرتبه، نيروگاه‌هاي هسته‌اي، پل‌ها و بسياري از ساختمانهاي صنعتي كه جزو ساختمانهاي سخت به شمار مي‌روند مناسب ميباشد، زيرا نيروهاي طراحي اين قبيل سازه‌ها را كاهش مي‌دهد. در سيستم جداگر لرزه‌اي, به سه جزء اساسي ميتوان اشاره كرد [8]:
1-تكيه‌گاه انعطاف‌پذير، بطوري كه زمان تناوب ارتعاش كل سيستم را به مقدار كافي طولاني كند تا نيروي پاسخ, كاهش يابد.
2-ميراكننده يا مستهلك كننده انرژي، بطوري كه تغيير مكان نسبي بين ساختمان و زمين را كنترل نمايد.
3-ابزاري براي تأمين سختي در برابر بارهاي كم مانند باد و زمين‌لرزه‌هاي كوچك.
براي تأمين انعطاف‌پذيري, ميتوان از وسايلي نظير، غلتكها، صفحات لغزشي اصطكاكي كابل‌هاي تعليق، پايه‌هاي مهره ماسوله‌اي و پي‌هاي گهواره‌اي استفاده نمود. براي تأمين استهلاك انرژي ميتوان از الاستومرهاي سربي-لاستيكي استفاده نمود. همچنين ميراگر هيدروليكي در يكسري از پلهاي و سازه‌هاي ويژه به كار رفته است و براي تأمين سختي، در برابر بارهاي جانبي كم, ميتوان از تكيه‌گاه‌هاي سربي-لاستيكي و ساير تلف كننده‌هاي انرژي مكانيكي استفاده كرد. هركدام از انواع جداگرها داراي خصوصيات رفتاري متفاوتي هستند,
اين جداگرها در موقعيت‌هاي مختلفي از سازه، قرار مي‌گيرند. محل قرارگيري آنها را بطور شماتيك نشان مي‌دهد.
ب- افزايش ميرايي ساختمان
اخيراً از اين سيستم براي كاهش تغيير شكلهاي الاستيك سازه‌هاي موجود استفاده مي‌شود. افزايش ميرايي سبب كاهش دامنه نوسان در هنگام پديده تشديد بوده و پاسخ لرزه‌اي را كاهش مي‌دهد. اجراي سادة اين روش و مزاحمت كم آن براي ساكنين از جمله مزاياي اين سيستم ميباشد[9].
از انواع ميراگرها ميتوان به ميراگر اصطكاكي، ميراگر ويسكوالاستيك، ميراگر مايع لزج و ميراگر هيسترزيس اشاره كرد. تحقيقات اخير موثر بودن اين روشهاي استهلاك انرژي زلزله به صورت غير فعال را نشان داده اند و تا به حال در خيلي از سازه‌ها بكار رفته اند. از ميان آنها قطعات سختي و ميرايي با صفحات فولادي مثلثي (TADAS)، قابهاي مهاربندي واگراEBF) ) و سيستمهاي پانل برشي (SPS)از محبوبيت بيشتري در كاربردهاي ساختماني برخوردار شده اند] 9[. اين ميراگرها معمولاً روي بادبندها، بين بادبند و تير، بين ديوارها يا بين ديوار و تير نصب مي‌شوند.ميراگرهاي اصطكاكي از جمله ميراگرهايي هستند كه با توجه به سادگي در تقويت سازه‌ها بكار مي‌روند. پال از محققاني است كه در اين زمينه فعاليت‌هاي زيادي انجام داده‌است.
نتيجه گيري
دليل اصلی خساراتِ قابل توجه ساختمانهاي فولادي بخش عمده ساختمانهاي در حال احداث در زلزله‌هاي گذشته, عدم رعايت اصول اوليه مهندسی زلزله مانند تعبيه سيستم باربر جانبی، تقارن مهاربندی، کلاف های افقی و قائم در طرح و اجرای سازه ها بوده است. بكارگيري اصول صحيح طراحي لرزه‌اي و اجرايي ميتواند كارآيي ساختمان را به خصوص در برابر بارهاي فوق العاده زلزله افزايش دهد. درمناطق با لرزه خيزي زياد، با توجه به شرايط اجرايي در كشور بهتر است از سيستم بادبندي در هر دو راستاي ساختمان استفاده شود. در اين حالت كاربرد تيرهاي لانه زنبوري براي تيرهاي پيوند در سيستم مهاربندي واگرا مناسب نمي‌باشد.
چنانچه عرض پلان ساختمان خيلي كم باشد طوريكه در آن راستا ناچار به استفاده از قاب خمشي باشيم، بايستي در امتداد مزبور از تيرهاي با اتصالات خورجيني و كلاً تيرهاي لانه زنبوري استفاده نشود. شرايط خاص اتصال گيردار تير به ستون دراين رابطه بايستي توسط مهندس محاسب مطابق با آئين نامه هاي طراحي (مبحث 10 مقررات ملي ساختماني كشور و پيوست 2 استاندارد 2800) طراحي لرزه‌اي شده و در نقشه هاي سازه‌اي بطور صحيح منعكس گردد.
جوشكاري به عنوان مهمترين مسئله اتصالات در اجراي يك ساختمان فلزي بايستي مورد توجه قرار گيرد و روشهاي مختلف كنترل كيفيت جوش دراين خصوص بكار گرفته شود. كاهش بارمرده كف سازي و ديوارها نيز ميتواند به كاستن نيروهاي جانبي ناشي از زلزله كمك نمايد و بدين ترتيب اثر بعضي اشكالات اجرايي اجتناب ناپذير را تا حدودي جبران نمايد. جهت جلوگيری از حوادث فاجعه آميز زلزله در کشور نبايد فرصت را از دست داد و از يکسو بايد با بهبود فرهنگ ساخت و ساز در کشور، زمينه های اصلاح مکانيزم کنترل طراحی و نظارت اجرای ساختمان های جديدالاحداث را فراهم آورد و از طرف ديگر ضمن برآورد آسيب پذيری لرزه‌اي ساختمان های موجود، با اولويت بندی مناسب به مقاوم سازی آنها پرداخت
نظرات شما عزیزان:
|
تبادل
لینک هوشمند
آمار
وبسایت: